工业通信网关论文和设计-罗仁胜

全文摘要

本申请涉及一种工业通信网关，包括ARM核心板和用于连接工业设备的通信总线。ARM核心板包括微处理器和基于IEEE802.11r的Wi‑Fi模块；微处理器分别连接通信总线和Wi‑Fi模块。通信总线将工业设备的数据传输给微处理器；微处理器将数据传输给Wi‑Fi模块；Wi‑Fi模块用于将数据传输给外部终端。基于上述结构，ARM核心板可控制通信总线和Wi‑Fi模块的数据转换，实现工业设备的数据无线传输；基于IEEE802.11r的Wi‑Fi模块可通过添加的字段信息、漫游过程中报文的交互流程以及原因码等信息的设计，实现快速漫游系统。基于此，本申请实施例可实现终端的无缝切换，提高认证速度并降低切换时间。

主设计要求

1.一种工业通信网关，其特征在于，包括：ARM核心板，用于连接工业设备的通信总线；所述ARM核心板包括微处理器和基于IEEE802.11r的Wi-Fi模块；所述微处理器分别连接所述通信总线和所述Wi-Fi模块；所述通信总线将所述工业设备的数据传输给所述微处理器；所述微处理器将所述数据传输给所述Wi-Fi模块；所述Wi-Fi模块用于将所述数据传输给外部终端；其中，所述通信总线包括以下总线中的任意一种或任意组合：CAN总线，485总线以及232总线。

设计方案

1.一种工业通信网关，其特征在于，包括：ARM核心板，用于连接工业设备的通信总线；

所述ARM核心板包括微处理器和基于IEEE802.11r的Wi-Fi模块；所述微处理器分别连接所述通信总线和所述Wi-Fi模块；

所述通信总线将所述工业设备的数据传输给所述微处理器；所述微处理器将所述数据传输给所述Wi-Fi模块；所述Wi-Fi模块用于将所述数据传输给外部终端；

其中，所述通信总线包括以下总线中的任意一种或任意组合：CAN总线，485总线以及232总线。

2.根据权利要求1所述的工业通信网关，其特征在于，还包括集成4G单元和定位单元的移动通信模块；

所述微处理器连接所述移动通信模块。

3.根据权利要求2所述的工业通信网关，其特征在于，所述移动通信模块为EC20模块；所述ARM核心板还包括USB总线；

所述ARM核心板通过所述USB总线连接所述EC20模块。

4.根据权利要求1所述的工业通信网关，其特征在于，所述Wi-Fi模块包括连接所述微处理器的Wi-Fi芯片，以及连接所述Wi-Fi芯片的天线。

5.根据权利要求4所述的工业通信网关，其特征在于，所述Wi-Fi芯片为集成双频Wi-Fi与蓝牙的combo芯片。

6.根据权利要求1所述的工业通信网关，其特征在于，所述ARM核心板还包括USB总线；

所述微处理器通过所述USB总线连接所述Wi-Fi模块。

7.根据权利要求1所述的工业通信网关，其特征在于，还包括连接所述ARM核心板的辅助设备；

所述辅助设备包括以下电路中任意一种或任意组合：电源电路，复位电路和TF卡接口电路。

8.根据权利要求7所述的工业通信网关，其特征在于，所述电源电路为开关稳压电源。

9.根据权利要求1至8任意一项所述的工业通信网关，其特征在于，微处理器为Cortex-A7芯片。

10.根据权利要求1至8任意一项所述的工业通信网关，其特征在于，所述ARM核心板还包括协处理器和内存芯片；

所述微处理器分别连接所述协处理器和所述内存芯片。

设计说明书

技术领域

本申请涉及工业通信技术领域，特别是涉及一种工业通信网关。

背景技术

802.11协议组是国际电工电子工程学会(IEEE)为无线局域网络制定的标准。虽然Wi-Fi使用了802.11的媒体访问控制层(MAC)和物理层(PHY)，但是两者并不完全一致。IEEE802.11标准原先只定义了一个单一的接入点，但是在办公环境下需要更多的接入点。终端可以在两个接入点之间移动，但是需要几秒钟重新搜索信号，还需要100ms(毫秒)的时间进行接入。

在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：在基于802.11i的传统工业通信网关中，终端的认证过程延时达到几百毫秒，切换时间长；延时时间长容易造成数据的丢失，甚至会出现网络中断的情况。

实用新型内容

基于此，有必要针对传统网关存在认证延迟，切换时间长的问题，提供一种工业通信网关。

为了实现上述目的，本申请实施例提供了一种工业通信网关，包括：ARM核心板，用于连接工业设备的通信总线。

ARM核心板包括微处理器和基于IEEE802.11r的Wi-Fi(WIreless-Fidelity，无线保真)模块；微处理器分别连接通信总线和Wi-Fi模块；通信总线将工业设备的数据传输给微处理器；微处理器将数据传输给Wi-Fi模块；Wi-Fi模块用于将数据传输给外部终端。其中，通信总线包括以下总线中的任意一种或任意组合：CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)总线，485总线以及232总线。

在其中一个实施例中，还包括集成4G(the 4th Generation mobilecommunication technolog，第四代移动通信技术)单元和定位单元的移动通信模块；微处理器连接移动通信模块。

在其中一个实施例中，移动通信模块为EC20模块；ARM核心板还包括USB总线(Universal Serial Bus，通用串行总线)；ARM核心板通过USB总线连接EC20模块。

在其中一个实施例中，Wi-Fi模块包括连接微处理器的Wi-Fi芯片，以及连接Wi-Fi芯片的天线。

在其中一个实施例中，Wi-Fi芯片为集成双频Wi-Fi与蓝牙的combo芯片。

在其中一个实施例中，ARM核心板还包括USB总线；微处理器通过USB总线连接Wi-Fi模块。

在其中一个实施例中，还包括连接ARM核心板的辅助设备；辅助设备包括以下电路中任意一种或任意组合：电源电路，复位电路和TF卡接口电路。

在其中一个实施例中，电源电路为开关稳压电源。

在其中一个实施例中，微处理器为Cortex-A7芯片。

在其中一个实施例中，ARM核心板还包括协处理器和内存芯片；微处理器分别连接协处理器和内存芯片。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

工业通信网关包括ARM核心板和用于连接工业设备的通信总线。ARM核心板包括微处理器和基于IEEE802.11r的Wi-Fi模块；微处理器分别连接通信总线和Wi-Fi模块。通信总线将工业设备的数据传输给微处理器；微处理器将数据传输给Wi-Fi模块；Wi-Fi模块用于将数据传输给外部终端。基于上述结构，ARM核心板可控制通信总线和Wi-Fi模块的数据转换，实现工业设备的数据无线传输；基于IEEE802.11r的Wi-Fi模块可通过添加的字段信息、漫游过程中报文的交互流程以及原因码等信息的设计，实现快速漫游系统。基于此，本申请实施例可实现终端的无缝切换，提高认证速度并降低切换时间。

附图说明

通过附图中所示的本申请的优选实施例的更具体说明，本申请的上述及其它目的、特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本申请的主旨。

图1为一个实施例中工业通信网关的第一示意性结构图；

图2为一个实施例中工业通信网关的快速切换的第一示意性流程图；

图3为一个实施例中工业通信网关的快速切换的第二示意性流程图；

图4为一个实施例中工业通信网关的快速切换的第三示意性流程图；

图5为一个实施例中工业通信网关的第二示意性结构图；

图6为一个实施例中工业通信网关的移动通信模块示意图；

图7为一个实施例中工业通信网关的第三示意性结构图；

图8为一个实施例中工业通信网关的复位电路示意图；

图9为一个实施例中工业通信网关的TF卡接口电路示意图；

图10为一个实施例中工业通信网关的开关稳压电源示意图；

图11为一个实施例中工业通信网关的ARM核心板示意图；

图12为一个实施例中工业通信网关的第四示意性结构图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和\/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

802.11为IEEE(美国电气和电子工程师协会，The Institute of Electrical andElectronics Engineers)于1997年公告的无线区域网路标准，适用于有线站台与无线用户或无线用户之间的沟通连结，其发展历程如下：

1、802.11(1997年)：(1)IEEE最初制定的一个无线局域网标准，工作在2.4GHz(吉赫兹)，主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据存取，速率最高只能达到2Mbps(兆比特每秒)；(2)采用跳频展频(FHSS)或直接序列展频(DSSS)信号方式；(3)最初定义的载波侦听多点接入\/避免冲撞(CSMA-CA)。

2、802.11a(1999年)：(1)802.11a标准工作在5GHz U-NII频带，物理层速率最高可达54Mbps，传输层速率最高可达25Mbps；(2)采用带52个子载波频道的正交频分复用(OFDM)技术；(3)有各种调制类型的数据传输率，根据需要，数据率除了达到最大值54Mbps，还可降为48，36，24，18，12，9或者6Mb\/s。802.11a拥有12条不相互重叠的频道，8条用于室内，4条用于点对点传输。

3、802.11b(1999年)：(1)IEEE802.11b载波的频率为2.4GHz，传送速度为11Mbit\/s(兆比特每秒)；(2)高速直接序列展频(HR-DSSS)；(3)IEEE802.11b是所有无线局域网标准中最著名，也是普及最广的标准。它有时也被错误地标为Wi-Fi。实际上Wi-Fi是无线局域网联盟(WLANA)的一个商标，该商标仅保障使用该商标的商品互相之间可以合作，与标准本身实际上没有关系。

4、802.11c：802.11c在媒体接入控制\/链路连接控制(MAC\/LLC)层面上进行扩展，旨在制订无线桥接运作标准，但后来将标准追加到既有的802.1中，成为802.1d。

5、802.11d：(1)它和802.11c一样在媒体接入控制\/链路连接控制(MAC\/LLC)层面上进行扩展；(2)根据各国无线电规定做的调整，解决不能使用2.4GHz频段国家的使用问题。

6、802.11e：802.11e是IEEE为满足服务质量(Qos)方面的要求而制订的WLAN标准。

7、802.11f：(1)802.11f追加了IAPP(inter-access point protocol)协定，确保用户端在不同接入点间的漫游，让用户端能平顺、无形地切换存取区域；(2)802.11f标准确定了在同一网络内接入点的登陆，以及用户从一个接入点切换到另一个接入点时的信息交换。

8、802.11g(2003年)：(1)IEEE 802.11g2003年7月，通过了第三种调变标准。其载波的频率为2.4GHz，原始传送速度为54Mbit\/s，净传输速度约为24.7Mbit\/s；(2)802.11g是为了提高更高的传输速率而制定的标准，它采用2.4GHz频段，使用DSSS和CCK(Complementary Code Keying，补码键控)技术与802.11b后向兼容，同时它又通过采用OFDM技术支持高达54Mbit\/s的数据流，所提供的带宽是802.11a的1.5倍。

9、802.11h(2004年)：(1)这一标准的制订目的，是为了减少对同处于5GHz频段的雷达的干扰；(2)802.11h涉及两种技术，一种是动态频率选择(DFS)，即接入点不停地扫描信道上的雷达，接入点和相关的基站随时改变频率，最大限度地减少干扰，均匀分配WLAN流量；(3)另一种技术是传输功率控制(TPC)，总的传输功率或干扰将减少3dB。

10、802.11i(2004年)：(1)IEEE802.11i是IEEE为了弥补802.11脆弱的安全加密功能而制定的修正案，于2004年7月完成；(2)其中定义了基于AES的全新加密协议CCMP，以及向前兼容RC4的加密协议TKIP。

11、802.11j(2004年)：它是为适应日本在5GHz以上应用不同而定制的标准，日本从4.9GHz开始运用，同时，他们的功率也各不相同。

12、802.11k(2008年)：802.11k为无线局域网应该如何进行信道选择、漫游服务和传输功率控制提供了标准。2.他提供无线资源管理，让频段、通道、载波等更灵活动态地调整、调度，使有限的频段在整体运用效益上获得提升。

13、802.11l：由于(11L)字样与安全规范的(11i)容易混淆，并且很像(111)，因此被放弃编列使用。

14、802.11m：802.11m主要是对802.11家族规范进行维护、修正、改进，以及为其提供解释文件。

15、802.11n(2009年9月)：(1)WLAN的传输速率提高达350Mbps甚至高达475Mbps；(2)采用多输入多输出(MIMO)和频道绑定(CB)的正交频分复用(OFDM)技术；(3)比之前的无线网络传送到更远的距离；(4)802.11n增加了对于MIMO(multiple-input multiple-output)的标准。MIMO使用多个发射和接收天线来允许更高的资料传输率。

16、802.11o：针对VOWLAN(Voice over WLAN)而制订，更快速的无限跨区切换，以及读取语音(voice)比数据(Data)有更高的传输优先权。

17、802.11p(2010年)：(1)80211p是针对汽车通信的特殊环境而出炉的标准；(2)它工作于5.9GHz的频段，并拥有1000英尺的传输距离和6Mbps的数据速率。(3)802.11p对802.11进行了多项针对汽车这样的特殊环境的改进，如热点间切换更先进、更支持移动环境、增强了安全性、加强了身份认证等等。

18、802.11q：制订支援VLAN(virtual LAN，虚拟区域网路)的机制。

19、802.11r(2008年)：(1)减少漫游时认证所需的时间，这将有助于支持语音等实时应用；(2)改善了移动的客户端设备在接入点之间运动时的切换过程，保证VOIP(Voiceover Internet Protocol，基于IP的语音传输)设备在切换Wi-Fi接入点时不会出现掉线状况。

20、802.11s：制订与实现目前最先进的MESH网路，提供自主性组态(self-configuring)，自主性修复(self-healing)等能力。

21、802.11t：提供提高无线电广播链路特征评估和衡量标准的一致性方法标准，衡量无线网络性能。

22、802.11u：增加了与其他网络的交互性。

23、802.11v：802.11v主要面对的是运营商，致力于增强由Wi-Fi网络提供的服务。

24、802.11w(2009年)：针对802.11管理帧的保护。

25、802.11y(2008年)：针对美国3650–3700MHz(兆赫兹)的规定。

26、802.11ac：(1)它使用5GHz频段，采用：更宽的基带(最高扩展到160Mhz)、更多的MIMO、高密度的调制解调(256QAM)；(2)理论上，11ac可以为多个站点服务提供1Gbit(吉比特)的带宽，或是为单一连接提供500Mbit(兆比特)的传输带宽。

27、802.11ad：(1)802.11ad工作在57-66GHz频段。802.11ad草案显示其将支持近7GBit的带宽；(2)由于载波特性的限制，这一标准将主要满足个域网(PAN)对于超高带宽的需求。

28、802.11ae：下一代标准，IEEE正在起草方案。

29、802.11b+：除了上面的IEEE标准，另外有一个被称为IEEE802.11b+的技术，通过PBCC技术(Packet Binary Convolutional Code)在IEEE 802.11b(2.4GHz频段)基础上提供22Mbit\/s的数据传输速率。但这事实上并不是一个IEEE的公开标准，而是一项产权私有的技术，产权属于美国德州仪器公司。

随着人们对无线网络需求的提高，该领域也得到了迅速的发展。当前致力于研究无线网络漫游的机构是：(1)Wi-Fi标准的发起组织——WECA(Western ElectricalContractors Association)，主要致力于研究WLAN间漫游。(2)IEEE委员会的802.11i工作组将会把基于SIM(Subscriber Identity Module)的认证方法应用到无线协议标准中。(3)IETF(The Internet Engineering Task Force)制定的标准主要是基于IP协议的漫游和发展的。(4)3GPP(3rd Generation Partnership Project)组织正致力于研究一种WLAN接口，这种接口存在于UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)服务体系的(USIM\/UICC)中。

IEEE组织在802.11f协议的基础上提出了IAPP(Inter-Access Point Protocol)协议。该协议是AP(Access Point)之间进行交换漫游所需相关信息的协议，目的是为了解决STA(Station)在AP之间的漫游。但是该协议只支持在同一网段AP的漫游。IEEE委员会接着提出了802.11i协议。802.11i的主要技术手段是预认证技术。该技术通过将STA的认证提前进行，来解决漫游时延过长的问题。

由于每个AP有限的覆盖范围，终端将不可避免的要在不同的接入设备之间进行切换。在无线切换过程中将影响终端的通信质量，所以要对802.11协议进行改进以适应用户更高的要求。IEEE委员会规定传统无线网络漫游的依据是802.11i协议标准。该协议标准的几个交互步骤为：发现并认证无线接入点、发送重关联请求、802.1X权限审查、密钥管理、QoS(Quality of Service)接入控制。该协议中的权限审查步骤和密钥管理严重地影响了当前网络使用的连续性。设备在每次漫游的时候都要进行权限审查和密钥协商，其中还包括服务器的交接。这中间产生的时延，不仅会促使发生网络中的咳嗽现象，甚至会出现掉线的严重后果。

虽然预认证技术已经大大减少了漫游时延，但是为了得到更好的用户体验，IEEE委员会进而提出了更快的802.11r快速漫游协议，实现BSS(Basic Service Set)之间的切换。表1是对802.11i协议和802.11r协议的漫游时延中各部分所占用时间的对比。802.11r协议突破以往漫游时的认证和重关联过程，改变上线时的密钥结构，在减少快速漫游时间上取得了很大的进步。以上协议的提出都是为了实现无线漫游。基于SIP(SessionInitiation Protocol)的无线漫游技术以及基于移动IP(Internet Protocol)的WLAN(Wireless Local Area Networks)漫游都属于常见的基于IP层的漫游技术。基于SIP的漫游中部分应为网络层完成的技术，由应用层来代替完成，这使SIP的部署更加方便。基于移动IP的漫游技术能够进行网段之间的漫游，该技术能确保在漫游过程中STA始终具有固定的IP地址且网络权限不变。自2005年以来，IEEE委员会的TGR组一直致力于制定802.11r协议标准的规范。该协议在漫游时通过添加快速漫游的信息字段并采用快速漫游算法进行密钥协商，省去了四次握手的步骤，从而减少了漫游时间。802.11r协议描述了快速漫游交互流程、新增的信息字段以及快速漫游算法等信息。其中新增的信息字段为MDIE(mobilitydomain information element)、FTIE(fast transmission information element)、TIE(timeout information element)。我国国内刚刚开始在无线快速漫游方面领域技术的研究，目前对802.11r的关注度不高。

表1 802.11i与802.11r漫游时延对比

人们对无线网络速度的需求标准，使802.11r协议步入了我们的生活。同时在保证速度的同时也不能忽略对安全性的要求，安全性的要求必须可以支持加密和认证的鲁棒性要求，也要同时确保快速漫游符合性能需求，802.11r标准集802.11i标准中的高安全性的优点和802.11e协议中的高服务质量的优点于一体。但是802.11i的认证过程延时是几百毫秒，这样的延时会造成极差的用户体验，甚至会出现网络中断的情况，所以快速漫游的研究也成了现在的主要趋势。

在国外的，早已经将802.11r制定为未来的发展趋势。随着无线网络的普及，每个无线接入终端能够覆盖的区域有限，如果要实现大区域内的全面覆盖，必然要求接入点的增加。这将导致无线终端在需要经常在接入点之间进行漫游。这种环境下的用户体验依赖于802.11r协议所能实现的性能。国外已经建立了很多无线快速漫游相关的实验平台。不仅如此，在增强通信安全系数的前提下还将快速漫游应用至实际生活网络，进而开展深入的研究工作。

为实现工业通信环境中终端设备的快速认证及切换，本申请实施例提供一种工业通信网关，如图1所示，图1为一个实施例中工业通信网关的第一示意性结构图，包括：ARM核心板，用于连接工业设备的通信总线。

ARM核心板包括微处理器和基于IEEE802.11r的Wi-Fi模块；微处理器分别连接通信总线和Wi-Fi模块；通信总线将工业设备的数据传输给微处理器；微处理器将数据传输给Wi-Fi模块；Wi-Fi模块用于将数据传输给外部终端。其中，通信总线包括以下总线中的任意一种或任意组合：CAN总线，485总线以及232总线。

具体而言，工业通信网关中，ARM核心板通过通信总线连接工业设备。其中，ARM核心板包括微处理器和Wi-Fi模块；微处理器通过Wi-Fi模块与外部终端通信连接。基于此，工业设备的数据可通过通信总线传输给ARM核心板；微处理器对接收到的数据进行格式转换后，通过Wi-Fi模块发送给外部终端。同时，外部终端也可通过无线网络将数据传输到工业通信网关的Wi-Fi模块，微处理器对Wi-Fi模块获取到的外部终端的数据进行转换，然后通过通信总线传输给工业设备，实现工业设备与外部终端的数据交互。

需要说明的是，通信总线可包括CAN总线，485总线以及232总线中的至少一种，可用于多种工业设备的接入，能够在一个工业环境下，同时为多个工业设备提供通信传输的功能，进而能够实现对整个工业环境的实时监测与控制。

ARM核心板可控制通信总线和Wi-Fi模块的数据转换，实现工业设备的数据无线传输。由于工业环境大多涉及较大的区域面积，而AP的覆盖范围有限，终端通过网关接收工业设备的数据的过程中，容易出现AP切换、断开重连的情况，影响终端在工业环境中的使用。例如，在对列车的各车厢进行检测的过程中，工作人员需要跨越上百米的距离，此时，终端在获取车厢中各设备数据的过程中，容易遇上AP切换的情况，若切换不及时，则容易造成数据的丢失，因此，需提高终端在AP切换时的认证速度，降低切换时间，实现终端在连接网关的多个AP中快速漫游。而基于IEEE802.11r的Wi-Fi模块可通过添加的字段信息、漫游过程中报文的交互流程以及原因码等信息的设计，实现快速漫游系统。

应该注意的是，802.11r协议中定义的FT(Fast BSS Transition，快速BSS切换)功能可用于减少客户端在漫游过程中的时间延迟，降低连接中断概率、提高漫游服务质量。具体地，基于IEEE802.11r的Wi-Fi模块实施的内容包括：

1)广播11R无线服务：服务模板绑定至射频并使能时，系统向BSS实体中填充11R信息，BSS创建成功后填充至Beacon帧中。

2)FT漫游over-the-air方式认证：STA通过Over-the-air方式进行认证申请的过程。STA检测到当前所连接的AP信号减弱时，STA向目的AP发送FT认证请求报文，然后和目标AP进行重关联报文交互，完成over-the-air方式的漫游。

3)FT认证over-the-ds以及action报文交互：当STA通过over-the-ds方式进行认证申请时，AP接收到STA发送的消息后，将Action报文中的信息和当前AP的BSSID封装入remote报文，再由当前AP将remote报文转发至目标AP进行认证。

4)FT四次握手：四次握手是为了能够进行正确的密钥协商，并在报文交互过程中填充正确的信息字段。非加密服务上线过程中STA与AP不需要进行四次握手交互。

5)处理填充关联以及重关联报文：在关联过程中系统能够正确处理接收的关联请求报文和发送相应的关联应答报文。进行快速漫游时，通过在关联请求和关联应答报文中填充FT的新增字段，来完成密钥协商。

FT支持两种方式：Over-the-Air：客户端直接与目标AP通信，进行漫游前的认证；Over-the-DS：客户端通过当前AP与目标AP通信，进行漫游前的认证。

具体地，AC内over-the-air方式漫游可如图2所示，图2为一个实施例中工业通信网关的快速切换的第一示意性流程图，客户端在连接至同一AC的AP间(AP 1到AP 2)漫游时，信息交互过程描述如下：

(1)客户端已经与AP 1连接并且要漫游到AP 2；

(2)客户端向AP 2发送认证请求；

(3)客户端收到AP 2的认证请求回应；

(4)客户端向AP 2发送重关联请求；

(5)客户端收到AP 2的重关联请求回应；

(6)客户端完成从AP 1到AP 2的漫游。

AC间over-the-air方式漫游可如图3所示，图3为一个实施例中工业通信网关的快速切换的第二示意性流程图，AP 1和AP 2分别连接AC 1和AC 2，在同一移动域内漫游的信息交互过程描述如下：

(1)客户端与AP 1建立连接；

(2)AC 1同步客户端漫游信息(PMK、VLAN等信息)到AC 2；

(3)客户端准备漫游，发送FT认证请求到AP 2；

(4)客户端收到AP 2发送的FT认证回复；

(5)客户端向AP 2发送重关联请求；

(6)客户端收到AP 2的重关联请求回应；

(7)客户端完成从AP 1到AP 2的漫游。

AC内over-the-ds方式漫游可如图4所示，图4为一个实施例中工业通信网关的快速切换的第三示意性流程图，客户端在连接至同一AC的AP间(AP 1到AP 2)漫游时，信息交互过程描述如下：

(1)客户端与AP 1建立连接；

(2)AC生成、同步、保存客户端的漫游表项；

(3)客户端准备漫游，向AP 1发送FT认证请求；

(4)客户端收到AP 1的FT认证回复；

(5)客户端向AP 2发送重关联请求；

(6)客户端收到AP 2的重关联请求回应；

(7)客户端完成从AP 1到AP 2的漫游。

基于此，本申请实施例能够应用于工业自动化、船舶、医疗设备、发电厂、轨道交通以及车载设备等工业环境中；可实现终端的无缝切换，提高认证速度并降低切换时间，降低数据丢失以及网络中断的风险，保证终端能够在工业环境中快速切换，避免终端与工业设备进行数据交互的过程中出现因AP切换而导致的数据丢失或网络中断。

在一个实施例中，如图5所示，图5为一个实施例中工业通信网关的第二示意性结构图，还包括集成4G单元和定位单元的移动通信模块；微处理器连接移动通信模块。

具体而言，工业通信网关还可包括移动通信模块；移动通信模块包括连接微处理器的4G单元和定位单元。其中，4G单元可用于接入移动通信网络，实现工业设备与外部服务器的交互；定位单元可用于提供位置信息，为轨道交通或船舶等工业环境进行实时定位。

需要说明的是，工业设备可通过通信总线将数据传输给微处理器，微处理器对数据进行转换后，通过4G单元传输到外部服务器。同时，外部服务器也可通过移动网络将数据传输到工业通信网关的4G单元，微处理器对4G单元获取到的外部服务器的数据进行转换，然后通过通信总线传输给工业设备。应该注意的是，移动通信模块可用于连接2G、3G、4G以及5G等移动通信网络，在此不做具体限制。基于此，本申请实施例还可实现工业设备与外部服务器的数据交互。

在一个实施例中，如图6所示，图6为一个实施例中工业通信网关的移动通信模块示意图，移动通信模块为EC20模块；ARM核心板还包括USB总线；ARM核心板通过USB总线连接EC20模块。

具体而言，移动通信模块的型号可为EC20；ARM核心板与EC20模块可通过PCIE接口中的USB进行连接。

需要说明的是，EC20是一款带分集接收功能的FDD-LTE\/TDD-LTE\/WCDMA(WidebandCode Division Multiple Access，宽度码分多址)\/TD-SCDMA(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，时分-同步码分多址)\/CDMA(CodeDivision Multiple Access，码分多址)\/GSM无线通信模块，支持LTE-FDD，LTE-TDD，DC-HSPA+，HSPA+，HSDPA(High Speed Downlink Packet Access，高速下行分组接入)，HSUPA(high speed uplink packet access，高速上行链路分组接入)，WCDMA，TD-SCDMA，CDMA，EDGE和GPRS网络数据连接，可提供GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)和语音功能。

EC20采用LTE 3GPP Rel.11技术，支持最大下行速率150Mbps和最大上行速率50Mbps；设计封装上兼容移远通信UMTS\/HSPA+UC20模块以及多网络制式LTE Cat 3模块，实现了3G网络与4G网络之间的无缝切换。EC20采用镭雕工艺，镭雕工艺具有外更漂亮、金属质感强、散热更好、信息不容易被抹除、更能适应自动化需求等优点。并且，EC20内置多星座高精度定位GNSS(GPS\/GLONASS\/BeiDou\/Galileo\/QZSS)接收机；在简化产品设计的同时，还大大提升了定位速度及精度。EC20内置丰富的网络协议，集成多个工业标准接口，并支持多种驱动和软件功能(适用于Windows XP，Windows Vista，Windows 7\/8\/8.1\/10，Linux，Android等操作系统下的USB驱动，eCall*等)，极大地拓展了EC20R2.1在M2M领域的应用范围。

在一个实施例中，如图7所示，图7为一个实施例中工业通信网关的第三示意性结构图，Wi-Fi模块包括连接微处理器的Wi-Fi芯片，以及连接Wi-Fi芯片的天线。

具体而言，在工业通信网关中，Wi-Fi模块包括Wi-Fi芯片以及天线；Wi-Fi芯片的一端连接微处理器，另一端连接天线。

需要说明的是，Wi-Fi芯片可为支持802.11AC\/b\/g\/n\/r、可工作于2.4G\/5.8G频段的芯片。

在一个实施例中，Wi-Fi芯片为集成双频Wi-Fi与蓝牙的combo芯片。

具体而言，工业通信网关的Wi-Fi芯片可采用集成双频Wi-Fi和蓝牙的combo芯片。

在一个实施例中，ARM核心板还包括USB总线；微处理器通过USB总线连接Wi-Fi模块。

具体而言，微处理器将通过通信总线接收到的数据，通过USB总线传输到Wi-Fi模块，通过Wi-Fi模块所支持的802.11r功能，实现数据传输的无缝切换。

在一个实施例中，还包括连接ARM核心板的辅助设备；辅助设备包括以下电路中任意一种或任意组合：电源电路，复位电路和TF卡接口电路。

具体而言，工业通信网关还可包括电源电路，复位电路和TF卡接口电路中的至少一种。电源电路可通过转换，为网关中的各器件设备提供合适的电压；复位电路可监控网关中的电气情况，还可进行复位输出，实现网关的复位；TF卡接口电路可用于拓展网关的容量，丰富网关的存储空间及功能。

在一个具体的示例中，如图8、9所示，图8为一个实施例中工业通信网关的复位电路示意图，图9为一个实施例中工业通信网关的TF卡接口电路示意图；

在一个实施例中，电源电路为开关稳压电源，如图10所示，图10为一个实施例中工业通信网关的开关稳压电源示意图。

具体而言，电源电路可为连接ARM核心板的开关稳压电源，还可包括整流桥等电路。开关电源可用于为微处理器、Wi-Fi模块以及移动通信模块等提供相应的标准电源。

需要说明的是，开关稳压电源具有使用简单、效率高、转换压差大、电流输出能力强、发热量小等特点，能够提高工业通信网关的稳定性和可靠性。具体地，电源电路采用的TLV62565开关稳压电源。

在一个实施例中，如图11所示，图11为一个实施例中工业通信网关的ARM核心板示意图，微处理器为Cortex-A7芯片。

具体而言，在工业通信网关中，ARM核心板采用的微处理器可为A7系列的芯片，例如型号为MCIMX6G2CVM05AA的微处理器等等。A7系列的芯片可用于通信总线与Wi-Fi模块的数据转换，以及通信总线与4G单元的数据转换。其中，通信总线包括CAN总线、485总线以及232总线中的至少一种。

在一个实施例中，ARM核心板还包括协处理器和内存芯片；微处理器分别连接协处理器和内存芯片。

具体而言，ARM核心板还包括连接微处理器的协处理器和内存芯片；协处理器可提升微处理器的处理速度和整个系统的可靠性；内存芯片可用于微处理器执行数据转换和数据传输等。

在一个具体的示例中，Cortex-A7芯片是型号为MCIMX6G2CVM05AA的微处理器；协处理器是型号为NEON MPE的协处理器；SDRAM内存是型号为DDR3的SDRAM内存。

在一个实施例中，如图12所示，图12为一个实施例中工业通信网关的第四示意性结构图，提供具备无缝切换功能的工业通信网关，包括ARM核心板、4G\/GPS模块、CAN\/485通信电路以及电源电路。其中，ARM核心板分别与4G\/GPS模块、CAN\/485通信电路、电源电路连接。ARM核心板主要由A7系列芯片MCIMX6G2CVM05AA和基于IEEE802.11r标准的Wi-Fi模块组成，装载有Linux平台。ARM核心板可用于控制CAN\/485数据和4G\/Wi-Fi的转换，实现车载设备数据无线传输；基于上述结构，能够实现工业设备的无线通信数据传输，满足终端无线通信无缝切换。

具体地，ARM核心板包括型号为i.MX 6UL的A7芯片；A7芯片装载有Linux平台。ARM核心板还包括协处理器和SDRAM内存；其中，A7芯片可为型号是MCIMX6G2CVM05AA的微处理器；协处理器可为型号是NEON MPE的协处理器；SDRAM内存可为型号是DDR3的SDRAM内存。此外，ARM核心板还可集成128\/256MB NAND Flash、硬件看门狗、硬件加密等，具备完整的最小系统功能。

ARM核心板主要由A7系列芯片MCIMX6G2CVM05AA和基于IEEE802.11r标准的Wi-Fi模块组成。其中，Wi-Fi模块可为由Broadcom公司的BCM43569芯片和天线组成。所述的BCM43569芯片，是Broadcom开发的一款Wi-Fi双频+BT HS的combo芯片。支持802.11AC\/b\/g\/n\/r，可工作于2.4G\/5.8G频段。Wi-Fi在传输流媒体文件时带宽可达867Mbps，是目前单芯片最高带宽。同时，集成蓝牙BT 4.0High speed功能，对于需同时使用Wi-Fi+BT的应用，是最佳选择。

A7系列芯片MCIMX6G2CVM05AA可通过USB总线与Wi-Fi模块连接。A7系列芯片MCIMX6G2CVM05AA通过CAN\/485总线接收到工业设备的数据，通过USB总线传输到Wi-Fi模块；通过Wi-Fi模块所支持的802.11r功能，可实现数据传输的无缝切换。

需要说明的是，A7芯片是型号为MCIMX6G2CVM05AA的微处理器，具有高性能、低功耗、小尺寸等优点，以14x14和9x9MAPBGA形式封装，适合低功耗和空间受限的应用场合。其次，该微处理器具有硬件加密引擎、篡改检测和动态DRAM加密\/解密等内置功能，可以使客户面向高度安全的应用进行设计。最后，微处理器优化了管脚，可以用四层PCB板进行设计，进一步节省成本。

Wi-Fi模块主要由BCM43569和相应天线组成。BCM43569是一款双频2x2MIMO组合芯片(5G Wi-Fi和蓝牙4.1)，可应用于媒体平台(如数字电视以及机顶盒)。其特点包括：

(1)业界首款在双频段都配备了Wi-Fi、蓝牙与集成功放(iPA)的通用USB接口的芯片，大幅降低了系统成本，可以让OEM厂商在更多平台上提供连接功能。(2)3倍带宽的提升可支持无缝视频流或游戏。(3)独立的蓝牙低噪音功放(LNA)与定制的Wi-Fi和蓝牙并行算法结合，令蓝牙游戏、音频播放以及移动式外围设备即便在挑战性的环境下也能表现出优良性能。(4)博通媒体栈(BMS)可提供创新型连接软件功能，如频道选择(TV Select)、Wi-Fi语音、无缝游戏以及Miracast等功能，为用户提供丰富的数字电视体验。(5)接口：兼容USB3.0和USB 2.0。

本申请实施例中，ARM核心板可控制通信总线和Wi-Fi模块的数据转换，实现工业设备的数据无线传输；基于IEEE802.11r的Wi-Fi模块可减少终端在漫游过程中的时间延迟，从而降低连接中断概率、提高漫游服务质量，实现终端的无缝切换，提高认证速度并降低切换时间。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

设计图

工业通信网关论文和设计

工业通信网关论文和设计-罗仁胜

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主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

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